Principi di progettazione per lo Smoke Management

Ing. Alessandro Temperini


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Tempo di lettura: 12 minuti

In Italia, come noto, per alcune delle Attività soggette ai controlli di Prevenzione Incendi, sono vigenti specifiche Regole Tecniche le quali definiscono in maniera prescrittiva le caratteristiche e le dotazioni che gli edifici devono presentare affinché sia garantito il soddisfacimento dei requisiti minimi di sicurezza in caso di incendio (leggi il nostro approfondimento "Smoke Management: Prescrizioni Normative e Regole Tecniche").

In altre parole, per tali attività il Normatore ha effettuato una Valutazione del Rischio e ha stabilito una serie di misure adeguate: il Tecnico deve preoccuparsi che esse siano osservate.

Alcune di tali Regole Tecniche richiamano e prescrivono espressamente il ricorso ai Sistemi di Evacuazione di Fumo e Calore con differenti finalità:

  • come misura di protezione attiva necessaria;
  • come sistema di compensazione dei rischi da usare:
    • o in alternativa ad altre prescrizioni come ad esempio quelle relative alla reazione al fuoco dei materiali da installare o alla lunghezza dei percorsi di esodo dando luogo, quindi, a soluzioni conformi;
    • o in caso di richiesta di deroga, quando non sia possibile rispettare una o più delle prescrizioni contenute nella Regola Tecnica di riferimento;
  • come sistema per migliorare la gestione dell’emergenza e della sicurezza per l’esodo.

SEFC e insediamenti di tipo complesso

Ulteriore possibilità di applicazione dei Sistemi di Evacuazione Fumo e Calore si ha in presenza di insediamenti di tipo complesso o a tecnologia avanzata, di edifici di particolare rilevanza architettonica e/o costruttiva, ivi compresi quelli pregevoli per arte o storia o ubicati in ambiti urbanistici di particolare specificità.

In questi casi la normativa di Prevenzione Incendi vigente consente di utilizzare un approccio di tipo prestazionale al problema, cosiddetto “approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio”, al fine di valutare il livello di rischio presente e progettare le conseguenti misure compensative, atte a soddisfare gli obiettivi della Prevenzione Incendi, in alternativa a quanto previsto dalle Regole Tecniche applicabili.

Lo specifico riferimento legislativo è in questo caso rappresentato dal D.M.I. 9 maggio 2007 “Direttive per l’attuazione dell’approccio ingegneristico alla sicurezza antincendi”.

È con la pubblicazione del nuovo Codice di Prevenzione Incendi (D.M. 03/08/2015) che la misura antincendio di controllo di fumo e calore assume in Italia un peso significativo e un’importanza paritaria rispetto ai Sistemi di Protezione attiva più diffusi.

In particolare la misura antincendio di controllo di fumo e calore è prescritta in determinate situazioni che presentano un livello di pericolosità elevato.

Le norme tecniche di riferimento per la progettazione, l’installazione (leggi articolo) e la manutenzione (leggi articolo) di tali Sistemi di Controllo del Fumo e del Calore, in Italia, non sono particolarmente sviluppate; ad eccezione di alcune specifiche indicazioni fornite dalle Regole Tecniche, le uniche indicazioni progettuali sono presenti nelle Norme della serie UNI 9494 e nel Codice PI che hanno, però, un campo di applicazione limitato e non consentono di affrontare tutte le possibili applicazioni dello Smoke Management.

I limiti di applicazione sono inerenti sia le modalità di controllo dei fumi che le dimensioni dei locali da proteggere.

Per affrontare la problematica nelle sue varie possibilità ed opportunità è quindi necessario ricorrere a quanto il panorama tecnico-normativo europeo e mondiale mette a disposizione dei tecnici.

Progettazione SEFC: i principali fattori

Innanzitutto, è indispensabile conoscere con un sufficiente grado di approssimazione tutti i fattori che possono influire sulla progettazione e sulla prestazione finale del SEFC.

Quindi occorre:

  • determinare la quantità e la qualità dei fumi prodotti dall’incendio (temperatura, opacità, tossicità);
  • valutare le modalità e le possibilità di propagazione del fumo;
  • scegliere la tipologia di controllo più opportuna tenendo conto delle condizioni al contorno che possono influire sulle modalità di propagazione dello stesso.

A tal proposito puoi approfondire i punti sopra indicati con i nostri articoli

Concetti base dello Smoke Management

Prima di procedere oltre con l’analisi delle problematiche tecniche connesse allo Smoke Management si ritiene utile richiamare alcuni concetti sulle responsabilità dei progettisti di Sistemi di Controllo di Fumo e Calore, le cui prestazioni non sono verificabili in opera, per ovvi motivi: solo un incendio reale potrà dimostrare l’effettiva efficacia di quanto progettato.

Il progettista di un Sistema di Controllo del Fumo assume una grande responsabilità in quanto, firmando il progetto, sottoscrive il raggiungimento degli obiettivi di sicurezza prefissati (vedi qui gli obblighi e le responsabilità del progettista).

L'esposizione a tali responsabilità è limitata quando si possono applicare specifiche norme tecniche, dovendo in questo caso "solo" verificarne il campo di applicazione ed il rispetto dei contenuti.

Più complessa invece è la situazione in caso di deroga rispetto alle norme tecniche nazionali di riferimento o di ricorso a norme tecniche estere e diventa particolarmente delicata quando il requisito da rispettare deriva da norme che danno indicazioni di tipo prestazionale.

È il caso, ad esempio, del D.M. 10/07/2010 (Regola Tecnica per le attività commerciali) che al punto 4.9 dell’allegato prescrive che sia garantita all’interno dei locali un'altezza di 2 m liberi dal fumo.

In questo caso, se si progetta il Sistema di Controllo del Fumo esulando, per ipotesi, dalla Norma UNI 9494, la responsabilità in caso di incidente diventerà di esclusiva competenza del professionista.

Sviluppo dell'Incendio in un edificio

L’andamento nel tempo dell’incendio all'interno di un edificio, rappresentato in termini di Potenza rilasciata HRR (o RHR), è schematizzato nella figura seguente nella quale sono individuate le 3 fasi dell’incendio e i 5 punti caratteristici.

grafico 3 fasi incendio tempo di propagazione

1. La prima fase, dal punto zero alla lettera X o A, è quella dello sviluppo dell’incendio a partire dal momento del suo innesco. È una fase di crescita che varia con il tempo (time dependent fire) durante la quale l’incendio si sviluppa e raggiunge la potenza massima, rappresentata dal punto A del grafico di Fig. 03.

2. Da qui in poi si considera convenzionalmente una fase in cui l’incendio risulta controllato, vale a dire un periodo di tempo durante il quale il valore della Potenza rilasciata è costante, per effetto della quantità e della disposizione del combustibile o della quantità di comburente presenti nell’ambiente interessato. Essa si protrae sino al punto B in cui ha inizio la fase di decadimento dell’incendio.

3. Quest’ultima fase si conclude, punto C del grafico, con lo spegnimento dell’incendio che sopraggiunge ad esempio, per esaurimento del combustibile o per l’intervento delle squadre di soccorso.

Se intervengono altri fattori di controllo dell’incendio, come ad esempio l’attivazione di un impianto sprinkler o l’intervento repentino delle squadre di soccorso, si può considerare che la curva di incendio interrompa la sua fase di crescita al momento dell’azione, punto X, e mantenga il regime stazionario con un valore di HRR definito al tempo t dell’intervento (es: sprinkler attivi dopo t = 150s). Sotto certe condizioni si potrebbe anche valutare la possibilità di spegnimento dell’incendio (punto X di Fig. 03).

In assenza di fattori di controllo e in presenza di una sufficiente quantità di combustibile, ad un certo punto della fase di crescita dell’incendio le fiamme coinvolgono tutto il locale e si ha un incendio generalizzato (flash over); questo generalmente accade quando si raggiunge la temperatura di 600° centigradi. Nella maggior parte dei compartimenti, la radiazione verso il basso dallo strato di fumo e di gas è sufficiente a causare l'accensione dei materiali combustibili rimanenti nel locale.

Se è intervenuto il flash over non è più possibile operare alcun controllo.

Durante l’incendio il fumo sale nel plume verso il soffitto; in questo movimento esso trascina aria al suo interno, aumentando il proprio volume e riducendo la propria temperatura. Una volta raggiunto il soffitto il fumo si diffonde orizzontalmente in tutte le direzioni al di sotto dello stesso andando a riempire il volume disponibile e creando quello che viene normalmente definito “serbatoio a soffitto”.

Si fa notare che la velocità di scorrimento del fumo al di sotto del soffitto può facilmente superare il valore di 1 m/s, velocità normalmente considerata nel calcolo dei tempi di esodo delle persone.

flash over incendio

Se il comparto è chiuso o presenta aperture poste al di sotto dello strato inferiore del fumo, lo spessore di fumo aumenta rapidamente verso il basso; ciò comporta una diminuzione dell’altezza di risalita dei fumi e, quindi, una minore quantità d’aria trascinata all’interno del Plume.

Questo provoca la riduzione del raffreddamento dei fumi del plume, l’aumento della temperatura dello strato di fumo e, di conseguenza, il possibile incremento dell’incendio.

Questa situazione può comportare il passaggio da un incendio controllato dal combustibile ad un incendio controllato dalla ventilazione. Infatti l’incremento delle temperature può provocare un aumento della quantità di materiale che brucia fino al punto di consumare tutto l'ossigeno reso disponibile dalle aperture verso l’esterno; una situazione che impedisce un ulteriore sviluppo dell’incendio e che dà luogo ad un controllo dello stesso per ventilazione.

Potenza dell'incendio

La Potenza rilasciata dall’incendio può essere definita per via sperimentale o mediante curve standardizzate; nel caso di determinazione sperimentale vengono effettuati dei veri e propri test con incendio reale degli oggetti.

Ad esempio:

grafico test sperimentale incendio curve standardizzate hrr

Nella letteratura specifica sono ormai reperibili tutte le informazioni e le curve caratteristiche per la quasi totalità delle tipologie di oggetti.

Le curve standardizzate più utilizzate sono quelle in cui si studia la variazione del valore di HRR (o RHR) in funzione del quadrato del tempo:

Q = HRR . t = ? . t2

Dove:
• Q è la potenza totale rilasciata dall’incendio [kW], al tempo t;
• t è il tempo intercorso dall’inizio dell’incendio [s];
• ? determina la velocità di sviluppo dell’incendio, che può essere:
» Ultrafast (? = 0,1778);
» Fast (? = 0,0444);
» Medium (? = 0,0111);
» Slow (? = 0,00278).
Tali curve sono schematizzate nella figura che segue

curve standardizzate variazione hrr incendio

La scelta dell’una o dell’altra curva dipende dalla tipologia di materiale presente.

In letteratura spesso sono fornite indicazioni sulla scelta in funzione del tipo di attività. Una curva FAST, ad esempio, dà luogo ad una potenza Q di 1.500 kW dopo un intervallo di tempo di 150 secondi.

Modalità e fattori di propagazione del fumo

La propagazione del fumo in un edificio interessato da un incendio è dovuta all’azione combinata dei seguenti fattori:

1. Propagazione orizzontale

Nei locali in cui l’evento è in atto, il fumo, più caldo e quindi più leggero (minore densità) si raccoglie nella parte alta degli stessi “galleggiando” sugli strati di aria più freddi e propagandosi quindi verticalmente o orizzontalmente. La propagazione orizzontale consiste nel transito attraverso porte, varchi o aperture in genere. Se queste sono chiuse, il passaggio avviene ugualmente attraverso le fessure e i piccoli varchi comunque presenti (si parla in questo caso di “esfiltrazione”);

2. Edifici alti

Negli edifici più alti la naturale stratificazione delle temperature si manifesta nel cosiddetto “effetto camino (stack effect)” cui corrisponde un movimento verticale dell’aria causato dalle differenze di densità tra masse d’aria a differente temperatura.

L’entità dell’effetto camino è funzione:

  • dell’altezza dell’edificio
  • della permeabilità all’aria delle pareti esterne
  • della presenza di partizioni orizzontali
  • della differenza di temperatura tra interno ed esterno dell’edificio

In assenza di incendio, con condizioni climatiche esterne rigide, l’aria contenuta all’interno di un edificio risulta generalmente più calda di quella esterna.

La differenza di densità risultante dalla differenza di temperatura e la conseguente spinta di galleggiamento determinano il moto ascensionale dell’aria attraverso gli spazi verticali di collegamento. Al contrario, se l’ambiente esterno dovesse risultare più caldo, il verso del moto dell’aria risulterebbe invertito.

In entrambi i casi sussiste una quota intermedia “piano neutro (neutral plane)” in corrispondenza della quale la pressione interna ed esterna si eguagliano (Fig. 7-B).

In condizioni normali l’effetto camino è responsabile dei movimenti naturali dell’aria all’interno degli edifici, in caso di incendio è responsabile dell’accumulo del fumo e dei gas tossici nelle parti alte dell’edificio;

3. Azione del vento

L’azione del vento incidente sulle facciate di un edificio determina condizioni di pressione superiore al valore atmosferico in corrispondenza delle aree sopravento e, corrispondentemente, condizioni di depressione lungo le superfici sottovento.

La differenza di pressione che viene a determinarsi genera un movimento orizzontale dell’aria avente verso congruente al differenziale di pressione determinatosi.

In caso di incendio, la rottura di una finestra del locale interessato può determinare, se questa risulta investita dalla corrente del vento, la propagazione orizzontale (e talvolta verticale) del fumo (per ulteriori informazioni circa l’azione del vento sulle strutture si rimanda alla Norma UNI EN 1991-1-4: 2010);

4. Impianto di condizionamento e ventilazione

L’impianto di condizionamento e ventilazione (HVAC), che per sua natura è responsabile dell’instaurarsi di zone a differente pressione all’interno di un edificio, può potenzialmente contribuire ad alimentare le fiamme o al trasporto dei fumi verso aree non coinvolte dall’evento.

Per questo motivo è buona regola, peraltro prescritta dalle normative vigenti, prevederne lo spegnimento in caso di emergenza incendio.

ffetto camino incendio stack effect

Guida toolkit progettazione sistemi evacuazione fumo e calore

Toolkit per la progettazione di Sistemi di controllo fumo e calore

Uno strumento di ausilio per tutti coloro che, a vario titolo, affrontano la complessa materia dello Smoke Management.

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